Questi diagrammi "a occhio" rivelano quanto rumore è presente in un segnale digitale. Man mano che il segnale diventa più rumoroso, la sua forma caratteristica si deforma, restringendo il centro in modo che assomigli a un occhio che si chiude. Il nuovo metodo di test del chip 3-D del NIST fa passare le microonde attraverso il materiale del chip, consentendo ai ricercatori di rilevare rapidamente i difetti che creerebbero rumore e di far cambiare il diagramma dalla chiarezza ad occhi aperti dell'immagine superiore alla distorsione più sottile nella parte inferiore. Credito:Y. Obeng e N. Hanacek/NIST
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno inventato un nuovo approccio al test multistrato, chip per computer tridimensionali che ora stanno comparendo in alcuni dei più recenti dispositivi di consumo. Il nuovo metodo potrebbe essere la risposta di cui l'industria dei semiconduttori ha bisogno per valutare rapidamente l'affidabilità di questo modello di costruzione di chip relativamente nuovo, che impila strati di circuiti piatti uno sopra l'altro come i pavimenti di un edificio per rendere i chip sempre più veloci e ricchi di funzionalità.
L'approccio supera la limitazione dei metodi di test dei chip convenzionali sui cosiddetti chip 3-D, che includono molti sottili "pavimenti" orizzontali collegati tra loro da percorsi verticali chiamati via attraverso il substrato, o TSV. Questi TSV sono essenziali per il funzionamento dei chip 3-D, che sono diventate commercialmente valide solo negli ultimi anni, dopo decenni di sforzi di sviluppo sostenuti dall'industria.
Con il nuovo metodo di test del NIST, i progettisti di chip possono avere un modo migliore per ridurre al minimo gli effetti di "elettromigrazione, " una causa perenne di guasto del chip radicata nell'usura che i flussi implacabili di elettroni in movimento infliggono ai fragili circuiti che li trasportano. L'approccio NIST potrebbe fornire ai progettisti un modo più rapido per esplorare in anticipo le prestazioni dei materiali dei chip, fornendo così di più, e quasi in tempo reale, informazioni su quali materiali serviranno al meglio in un chip 3D.
"Il nostro lavoro mostra che potrebbe essere possibile individuare guasti microscopici più velocemente, " ha detto Yaw Obeng del NIST, chimico di ricerca e leader del progetto Metrology for Emerging Integrated Systems. "Invece di aspettare mesi, possiamo vedere in giorni o ore quando accadrà. Puoi eseguire i nostri test durante la fase di selezione del materiale per vedere come la lavorazione influirà sul prodotto finale. Se non puoi vederlo, potresti prendere la decisione sbagliata."
Se un chip 3D fosse un grattacielo, I TSV sarebbero i suoi ascensori. Aiutano i chip 3D a fare tre cose essenziali:accelerare, restringersi e raffreddare. Permettendo agli elementi su piani diversi di comunicare tra loro, i segnali non hanno più bisogno di viaggiare attraverso un chip 2-D relativamente esteso, il che significa che i calcoli sono più veloci e gli elettroni riscaldano molto meno materiale conduttore mentre si muovono.
Insieme a questi vantaggi, I TSV hanno anche uno svantaggio:la loro affidabilità è difficile da testare con il metodo convenzionale, che comporta il passaggio di corrente continua attraverso il conduttore e l'attesa che la sua resistenza cambi. Richiede molto tempo, che richiedono settimane o addirittura mesi per mostrare i risultati. L'industria dei chip ha bisogno di un nuovo approccio metrologico che sia rapido e realistico, e ciò rivelerebbe l'impatto sul segnale ad alta velocità che attraversa effettivamente i conduttori.
Il nuovo metodo di test NIST invia microonde attraverso il materiale e misura i cambiamenti sia nella quantità che nella qualità del segnale. La loro configurazione di prova, che simula le condizioni del mondo reale, riscalda e raffredda ripetutamente il materiale, provocando lo sviluppo di difetti, e nel tempo, il segnale a microonde diminuisce di intensità e decade da un pulito, un'onda quadrata a una che è notevolmente distorta.
L'uso del microonde offre numerosi vantaggi. Forse il principale tra questi è la rapidità con cui il metodo fornisce informazioni sull'affidabilità di un dispositivo, nell'effettivo dispositivo di interesse, molto prima che fallisca effettivamente, una possibilità non disponibile con l'approccio basato sulla resistenza.
"Prima del fallimento arriva quello che chiamiamo un 'periodo di riposo' quando l'inizio dei difetti si diffonde attraverso il materiale, come semi al vento, " Obeng ha detto. "Le microonde mostrano che questo processo sta accadendo. Se guardi solo il materiale con resistenza, questo non lo vedi, o è vivo o è morto."
Le microonde potrebbero rivelare informazioni sui difetti già tre giorni dopo l'inizio dei test, mentre i test convenzionali possono richiedere mesi.
Obeng stima che questo metodo potrebbe essere pienamente implementato dall'industria entro pochi anni, e potrebbe fornire spunti preziosi.
"Questo approccio darebbe ai progettisti di materiali un'idea di quali materiali utilizzare nei chip e come costruirli, " ha detto. "Prendere le decisioni giuste può portare a un prodotto finale più stabile e affidabile. Questo darà loro maggiori informazioni per prendere queste decisioni".
